Oamenii de știință Williard Boyle și George E. Smith de la AT&T Bell Labs, în timp ce lucrează la semiconductori -bubble-memory a proiectat un dispozitiv și l-a numit „Charge Bubble Device”, care poate fi folosit ca registru Shift.
Încărcați dispozitivul cuplat
Conform naturii fundamentale a dispozitivului, acesta are capacitatea de a transfera încărcarea de la un condensator de stocare la următorul, de-a lungul suprafeței semiconductorului, iar acest principiu este similar cu Bucket-Brigade Device (BBD), care a fost inventat în anii 1960 la Phillips Research Labs. În cele din urmă, din toate aceste activități de cercetare experimentală, dispozitivul cuplat de încărcare (CCD) a fost inventat în AT&T Bell Labs în 1969.
Dispozitiv cuplat de încărcare (CCD)
Dispozitivele cuplate de încărcare pot fi definite în moduri diferite în funcție de aplicația pentru care sunt utilizate sau pe baza designului dispozitivului.
Este un dispozitiv utilizat pentru deplasarea sarcinii electrice în interiorul acesteia pentru manipularea sarcinii, care se realizează prin schimbarea semnalelor prin etape din dispozitiv, pe rând.
Poate fi tratat ca senzor CCD, care este utilizat în camere digitale și video pentru realizarea de imagini și înregistrarea videoclipurilor prin efect fotoelectric. Este utilizat pentru conversia luminii capturate în date digitale, care sunt înregistrate de cameră.
Poate fi definit ca un circuit integrat sensibil la lumină imprimate pe o suprafață de siliciu pentru a forma elemente sensibile la lumină numite pixeli și fiecare pixel este transformat într-o încărcare electrică.
Este denumit ca un dispozitiv de timp discret utilizat pentru semnal continuu sau analogic prelevarea de probe la momente discrete.
Tipuri de CCD
Există diferite CCD-uri, cum ar fi CCD-uri cu multiplicare electronică, CCD intensificat, CCD cu transfer de cadre și CCD cu canale îngropate. Un CCD poate fi pur și simplu definit ca dispozitiv de transfer de încărcare. Inventatorii CCD, Smith și Boyle au descoperit, de asemenea, un CCD cu performanțe foarte îmbogățite decât un CCD cu canale de suprafață general și alte CCD-uri, este cunoscut sub numele de canalul Buried CCD și este utilizat în principal pentru aplicații practice.
Principiul de lucru al dispozitivului cuplat de încărcare
Stratul epitaxial de siliciu care acționează ca o regiune fotoactivă și o regiune de transmisie-registru-transmisie sunt utilizate pentru captarea imaginilor folosind un CCD.
Prin intermediul obiectivului, imaginea este proiectată pe regiunea fotoactivă formată din matricea de condensatori. Astfel, sarcina electrică proporțională cu intensitatea luminii a culorii pixelilor imaginii din spectrul de culoare din acea locație se acumulează la fiecare condensator.
Dacă imaginea este detectată de această matrice de condensatori, atunci sarcina electrică acumulată în fiecare condensator este transferată condensatorului său vecin prin efectuarea unui Registrul de deplasare controlat de circuitul de control.
Funcționarea dispozitivului cuplat de încărcare
În figura de mai sus, de la a, b și c, transferul pachetelor de încărcare este prezentat în funcție de tensiunea aplicată terminalelor de poartă. În cele din urmă, în matricea sarcina electrică a ultimului condensator este transferată în amplificatorul de sarcină în care sarcina electrică este convertită într-o tensiune. Astfel, din funcționarea continuă a acestor sarcini, sarcinile întregi ale condensatorului din semiconductor sunt convertite într-o succesiune de tensiuni.
Această secvență de tensiuni este eșantionată, digitalizată și apoi stocată în memorie în cazul dispozitivelor digitale, cum ar fi camerele digitale. În cazul dispozitivelor analogice, cum ar fi camerele video analogice, această secvență de tensiuni este alimentată la un filtru trece-jos pentru a produce un semnal analog continuu, iar apoi semnalul este procesat pentru transmisie, înregistrare și în alte scopuri. Pentru a înțelege principiul dispozitivului cuplat la încărcare și dispozitivul cuplat la încărcare care funcționează în profunzime, în primul rând trebuie să fie înțelați următorii parametri.
Procesul de transfer al taxei
Pachetele de încărcare pot fi mutate de la celulă la celulă utilizând multe scheme în stilul Bucket Brigade. Există diverse tehnici, cum ar fi două faze, trei faze, patru faze și așa mai departe. Fiecare celulă constă din n-fire care trec prin ea în schema n-fază. Înălțimea puțurilor potențiale este controlată prin utilizarea fiecărui fir conectat la ceasul de transfer. Pachetele de încărcare pot fi împinse și trase de-a lungul liniei CCD, variind înălțimea puțului potențial.
Procesul de transfer al taxei
Luați în considerare un transfer de sarcină trifazat, în figura de mai sus, cele trei ceasuri (C1, C2 și C3) care sunt identice ca formă, dar în diferite faze sunt prezentate. Dacă poarta B se ridică și poarta A scade, atunci sarcina se va deplasa din spațiul A în spațiul B.
Arhitectura CCD
Pixelii pot fi transferați prin registrele verticale paralele sau CCD vertical (V-CCD) și registre orizontale paralele sau CCD orizontal (H-CCD). Încărcarea sau imaginea pot fi transferate utilizând diferite arhitecturi de scanare, cum ar fi citirea cadrului complet, transferul cadrului și transferul interline. Principiul dispozitivului cuplat la încărcare poate fi ușor de înțeles cu următoarele scheme de transfer:
1. Citire cadru complet
Citire cadru complet
Este cea mai simplă arhitectură de scanare care necesită un obturator într-o serie de aplicații pentru a întrerupe intrarea luminii și pentru a evita murdărirea în timpul trecerii sarcinilor prin registre paralel-verticale sau CCD verticale și registre paralel-orizontale sau CCD orizontal și apoi transferat la ieșire în serie.
2. Transfer de cadre
Transfer cadru
Prin utilizarea procesului de brigadă de cupe, imaginea poate fi transferată din matricea de imagine în matricea de stocare a cadrelor opace. Deoarece nu folosește niciun registru serial, este un proces rapid în comparație cu alte procese.
3. Transfer interline
Transfer interline
Fiecare pixel este format dintr-o fotodiodă și o celulă de stocare a încărcăturii opace. Așa cum se arată în figură, încărcarea imaginii este mai întâi transferată de la PD sensibil la lumină la V-CCD opac. Acest transfer, pe măsură ce imaginea este ascunsă, într-un ciclu de transfer produce un frotiu minim al imaginii, prin urmare, se poate realiza cea mai rapidă închidere optică.
Condensator MOS al CCD-ului
Fiecare celulă CCD are semiconductor de oxid de metal, chiar dacă condensatorii MOS cu canal de suprafață și canal îngropat sunt folosiți la fabricarea CCD-ului. Dar frecvent CCD-urile sunt fabricat pe un substrat de tip P și fabricat utilizând condensatori MOS cu canal îngropat pentru aceasta, se formează o suprafață subțire de tip N. Un strat de dioxid de siliciu este crescut ca un izolator pe partea superioară a regiunii N și porțile se formează prin plasarea unuia sau mai multor electrozi pe acest strat izolant.
Pixel CCD
Electronii liberi se formează din efect fotoelectric atunci când fotonii lovesc suprafața siliciului și din cauza vidului, simultan, va fi generată sarcină pozitivă sau gaura. În loc să alegeți un proces dificil de numărare a fluctuațiilor termice sau a căldurii formate prin recombinarea găurii și a electronilor, este de preferat să colectați și să numărați electroni pentru a produce o imagine. Acest lucru poate fi realizat prin atragerea de electroni generați prin lovirea fotonilor de pe suprafața siliciului către zonele distincte cu tendințe pozitive.
Pixel CCD
Capacitatea completă a puțului poate fi definită ca numărul maxim de electroni care poate fi reținut de fiecare pixel CCD și, de obicei, un pixel CCD poate conține 10ke până la 500ke, dar depinde de dimensiunea pixelului (cu cât dimensiunea poate fi mai mare să fie acumulate).
Răcire CCD
Răcire CCD
În general, CCD-urile funcționează la temperatură scăzută, iar energia termică poate fi utilizată pentru excitarea unor electroni nepotrivi în pixeli de imagine care nu pot fi diferențiați de fotoelectronii de imagine reală. Este numit ca un proces de întuneric curent, care generează zgomot. Generarea totală de curent întunecat poate fi redusă de două ori pentru fiecare 6 până la 70 de răcire cu anumite limite. CCD-urile nu funcționează sub -1200 și zgomotul total generat de curentul întunecat poate fi eliminat prin răcirea acestuia în jurul valorii de -1000, prin izolarea termică într-un mediu evacuat. CCD-urile sunt răcite frecvent folosind azot lichid, răcitoare termo-electrice și pompe mecanice.
Eficiența cuantică a CCD
Rata de generare a fotoelectronilor depinde de lumina incidentă pe suprafața CCD-ului. Conversia fotonilor în sarcină electrică este contribuită de mulți factori și este denumită eficiență cuantică. Se află în intervalul mai bun de 25% până la 95% pentru CCD-uri comparativ cu alte tehnici de detectare a luminii.
Eficiența cuantică a dispozitivului iluminat frontal
Dispozitivul iluminat frontal generează un semnal după ce lumina trece prin structura porții prin atenuarea radiației de intrare.
Eficiența cuantică a dispozitivului iluminat din spate
CCD retroiluminat sau subțiat este format din exces de siliciu pe partea inferioară a dispozitivului, care este imprimat într-un mod care permite nerestricționat generarea de fotoelectroni.
Acest articol se încheie astfel cu o scurtă descriere a CCD-ului și a principiului său de funcționare, luând în considerare diferiți parametri, cum ar fi arhitecturile de scanare CCD, procesul de transfer de încărcare, condensatorul MOS al CCD, pixelul CCD, răcirea și eficiența cuantică a CCD pe scurt. Cunoașteți aplicațiile tipice în care senzorul CCD este utilizat frecvent? Vă rugăm să postați comentariile dvs. mai jos pentru informații detaliate cu privire la funcționarea și aplicațiile CCD-urilor.
